[发明专利]一种提高铁电性液体光开关特性的装置和方法

说明书

本发明公开了一种提高铁电性液体光开关特性的装置和方法，所述装置包括由绝缘材料制成的容器本体，在容器本体相对应的两侧面设置电极，所述电极有两个，分别为上电极和下电极，在上、下电极上分别设置凸起电极，所述凸起电极位于上、下电极之间，将铁电性至于上述容器中，本发明通过在平板电极之间引入凸起电极，由于凸起电极具有比较小的曲率半径，当在平板之间施加相同大小的电压时，可获得较强的电场强度及电场梯度，提高了光开关的响应量，最终可以提高铁电液体光开关的特性。

技术领域

本发明属于铁电材料领域，具体涉及一种提高铁电性液体光开关特性的装置和方法。

背景技术

铁电材料同时具有铁电性、铁弹性、热释电性、压电性及逆压电性等多种耦合性质以及其它独特的物理性质，如力一电一热耦合性质、电一声一光耦合性质、非线性光学效应、开关特性等等，这些性质使铁电材料获得了十分广泛的应用。铁电材料制成的器件具有应用范围广、灵敏度高、可靠性高等优点。所有这些优点都促使各个国家投入大批的资金对铁电材料进一步研究。

然而，目前研究的铁电材料都是固态，包括铁电陶瓷、铁电薄膜、铁电单晶等。液态的铁电材料还未见报道，所谓的铁电性液体（或者叫铁电流体）(Ferroelectric fluids，Ferroelectric liquid)，并非是指严格意义上的“液态”铁电性材料（物质处于液态的温度都高于其居里温度，所以目前还没有液态的铁电性材料），而是指由粒径在10-100nm左右的具有铁电性的微粒均匀分散在基液中（fluid carrier），通过吸附离子（电荷排斥力）或在表面带上长链分子（位力排斥）达到抗团聚而形成的稳定的胶体体系。纳米微粒通常是指具有铁电性的纳米微粒或纳米线，基液通常是水、有机液体或者有机水溶液。当然，这种液体也可以是粒径为微米级的易极化的粒子分散于低介电系数的绝缘液介质中形成的复合悬浮体。不过，之所以选择铁电粉体作为分散粒子，是因为铁电材料可以自发极化(不需要施加外场就能够自发的处于极化状态)，在液体中仅需要施加较小的电场便可以发生转动。

相对于固态的铁电材料而言，铁电液体在电场作用下，具有铁电性的微粒能够发生转动，而且由于在液体中，所以其矫顽电场会比较小，由于布朗运动，在电场下的转向更容易。在固体中需要施加相对较大的电场才能让改变极化方向，电场太大容易造成样品被击穿。在电场作用下，固态铁电材料中电畴的取向只能沿着接近于电场方向的某些取向，并不一定沿着电场方向，而对于铁电性液体而言，由于铁电微粒可以在液体中自由转动，因此其电畴的取向可以完全沿着电场方向。

当一束光通过铁电液体时，对铁电液体施加电场前后光的透过率具有明显的差异（施加电场前透过率低。施加电场之后透过率高），利用这一特点可以制作光开关，而开关的相应速度直接决定了其开关特性。目前常用的办法就是将铁电液体直接装入容器中，直接对容器施加电场。由于正负电极通常是平行的，因此在平板电极之间形成的电场是均匀电场。对铁电液体施加电场前，微粒无序地分散在液体中，如图1所示。

由于微粒的分布呈现无序态，当一束光从上而下照射的时候，光被无序分布的微粒所反射或散射，导致穿过铁电液体的光比较弱。

对铁电液体施加电场后铁电液体形成链状，如图2所示。

由于微粒的分布呈现链状，当一束光从上而下照射的时候，光可以很容易的从链之间穿过，导致穿过铁电液体的光比较强。因此，对铁电液体施加电场前后穿过液体的光强发生明显的变化，起“光开关”的作用。

显然，施加电场之后铁电液体中微粒形成链状是需要时间的，而时间越短表明光开关的响应越快，其性能也越好。首先，要提高铁电微粒形成纳米链的速度，可以通过提高电场的办法获得；其次，欲提高光开关比值（即提高施加电场前后光的透过率之差），可以通过对铁电纳米链施加力使其尽量不挡住光，以提高光的透过率。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高铁电性液体光开关特性的方法，可获得较强的电场强度及电场梯度，提高了光开关的响应量，最终可以提高铁电液体光开关的特性。